В будущем, когда народы мира полностью перейдут на сол­нечно-водородную энергетическую систему, не будет такого «за­сорения» ландшафта, как линии электропередач, которые пере­секают сельскую местность и улицы городов. Энергия для всех нужд. людей будет получаться от солнца (прямо или косвенно) и водорода. В города солнечно-водородная энергия придет из так называемых «солнечных ферм» — энергоцентров, создан­ных для использования различных форм солнечной энергии в зависимости от их расположения и времени суток.

Водород, произведенный па центральных водородных стан­циях, будет поступать в дома и прочие здания по подземным трубопроводам примерно так, как подаются природный газ и мазут сегодня (например, для обогрева, приготовления пищи,

сушки и т. д.). Для получения электричества будут использо­ваться различные типы топливных элементов. Чтобы ездить по городу, люди смогут заправлять свои автомобили водоро­дом от домашнего трубопровода (конечно, будут нужны и общественные заправки для длительных поездок). Экспери­менты показывают, что водородные автомобили нуждаются в меньшем техническом обслуживании, поскольку этот газ не производит ни химикатов, приводящих к коррозии конструк­ции, ни углеродной сажи, нарастающей в камере сгорания. Значит, работы в гараже будет гораздо меньше по сравнению с сегодняшним днем, и это тоже выгодно отличает использо­вание солнечно-водородной энергетики вместо современных ископаемых топлив.

Водород, таким образом, является разносторонним, эколо­гически чистым и гибким посредником в ежедневном приме­нении солнечной энергии. Человек уже не будет просыпаться утром в клубах зловонных и опасных загрязнителей.

Какой сон вы выберете?

Многие бытовые приборы и устройства — швейные и посу­домоечные машины, компьютеры, электрические зубные щет­ки, пилы, дрели, радиоприемники, телевизоры, музыкальные центры и многие другие — нуждаются в электрических мото­рах и электронике, которые вполне могут работать на элек­тричестве, полученном в солнечно-водородном цикле, не соз­дающем загрязнителей, характерных для ископаемых топлив.

Некоторые из этих приспособлений — сушки для одежды, кухонные плиты, холодильники и водяные нагреватели — мо­гут работать и на топливе. В этом случае может быть исполь­зована тепловая энергия, полученная при обычном или катали­тическом горении водорода.

В былые времена люди хранили пищу в погребах и кладо­вых, где воздух был прохладнее, чем снаружи. Затем появились ледники, куда приносили лед, купленный у тех, кто либо хранил его с прошлой зимы, либо мог приготовить его. Теперь же. чтобы сохранять пишу свежей, мы пользуемся холодильниками.

Если солнечное и (или) водородное электричество будут доступны, то использование его в обычных холодильниках станет обычным и привычным делом. Второй способ заклю­чается в применении водорода для нагревания хладагента вместо природного газа в газовых холодильниках, преимуще­ством которых является отсутствие движущихся частей, что способствует более тихой работе, долгому сроку службы и низкой стоимости эксплуатации. При третьем способе катали­тического горения хладагент будет нагреваться без открыто­го пламени, еще более увеличивая безопасность и эффектив­ность работы. Четвертая альтернатива — применение гидрид­ных систем, которые позволят избавиться от фреонов и со­хранить озоновый слой.

В домах, офисах, общественных местах и на предприятиях нам нужна горячая вода. В тропиках, субтропиках и районах умеренного климата солнце можно напрямую использовать дзя нагрева воды — солнечные водяные нагреватели стані первым экономически выгодным применением его энергии. Они очень популярны в средиземноморских странах, на юге США и других жарких регионах.

Там же, где солнечного света недостаточно, можно будет применять традиционные водяные нагреватели, использующие вместо природного газа водород. Эффективность обычной газовой колонки составляет 60 %, а коэффициент полезного действия водородного нагревателя — 70 % (чем выше эффек­тивность. тем меньше теряется тепла). Чтобы повысить эф­фективность и приблизить ее к 100 %, разрабываются другие методы нагрева воды, например, каталитические сжигатели.

В о до с н абже 11 и е

Потребность в воде — одна из основных для человека и общества. В деревнях 11 других местах, где нет водопровода, используются колодцы. Чтобы выкачивать подземную воду с глубины, можно использовать солнечно-водородную энергию. Во — первых, можно с помощью солнечного и (или) водородного электричества привести в действие обычный водяной насос; во — вторых, если нет подвода электроэнергии, ничто не мешает подключить насос к водородному двигателю внутреннего сгора­ния; в-трстьих, там, где велика энергия ветра, ее можно напра­вить к тому же насосу, а в-четвертых, можно применить підряд­ную установку, использующую солнечное и (или) сбросное теп­ло. Разработке эффективных гидридных установок различного назначения уделяется в последнее время все большее внимание.

Свет — во’г еще одна насущная необходимость нашей жиз­ни. причем освещение необходимо не только в домах и других зданиях, но на улицах.

В дневное время нам вполне хватает света солнца, особен­но па открытых пространствах или в малоэтажных домах с большим количеством окон. Солнечный свет — наиболее есте­ственный дія человека, и его несущие энергию лучи в первую очередь способствовали развитию жизни на нашей планете.

Но если мы взглянем на комнаты в высотных домах и офисных зданиях, заслоняющих друг от друга солнце, то уви­дим, что многие из них или совсем не освещены, или получа­ют очень мачо дневного света. Япония стоит на переднем крае борьбы с этим явлением — там разработаны так называемые «солнечные трубы». Начинаясь там, где света достаточно (на крыше или солнечной стороне здания), трубы с отражающей внутренней поверхностью и зеркалами на изгибе направляют лучи света по внутренние комнаты и коридоры. Пройдя сквозь эту уникальную систему, свет остается достаточно сильным, чтобы можно было принимать солнечные ванны в собственной спальне. И хотя эта японская система освещения входит в моду, полученное от солнечной энергии и (или) из водорода электричество, подведенное к лампочкам, представляет собой гораздо более удобный источник света.

Приготовление пищи — дело первой необходимости. Мы немало продвинулись в этом направлении со времен наших предков и уже не можем отказаться от своих кухонных плит, печей, духовок и микроволновок, так что нам нужна чистая и эффективная форма энергии, чтобы поддерживать те стандар­ты жизни, к которым мы привыкли с детства. Солнечно- водородная энергетика способна дать это.

Самый очевидный и простой способ — использовать водо­род в обычных газовых горелках, а поскольку водородное пламя практически невидимо, то в него можно добавлять не­большие количества углеводородов или других примесей, что­бы окрасить огонь для обеспечения большей безопасности.

Другой путь — попользовать не менее обычные электри­ческие плиты, работающие на энергии, полученной от солнца и водорода с использованием топливных элементов.

Но есть еще и третий метод — использовать каталитиче­ское горение, как и в описанных выше нагревателях. Боль­шим его преимуществом является то, что тепло производит­ся без открытого пламени и при достаточно низкой темпе­ратуре. Такие устройства более безопасны и отдают кастрю­лям и сковородам для приготовления еды больше тепла. Эффективность каталитического сжигания водорода с целью приготовления пищи достигает 85 %, в то время как у обычных газовых горелок она равна 70 %. И оба эти метода куда эффективнее традиционного сжигания природного газа, который дает только 60 %-иую эффективность.

В тропиках прямые солнечные лучи позволят готовить пищу прямо на открытом воздухе. Уже существуют солнечные печки, концентрирующие тепло солнца на кастрюле или сковороде.

Отопление и кондиционирование

Дома, офисы и предприятия должны либо отапливаться, либо кондиционироваться, чтобы создать людям комфорт­ные условия для жизни її работы. Используя солнечно — водородную систему этого очень легко добиться. Произве­дя электричество, мы можем пустить его на обогрев, полу­чив тепло с помощью электронагревателей или тепловых насосов; посредством обычных систем воздушного конди­ционирования применить электричество для охлаждения, а

в кондиционерах с реверсивным циклом — одновременно и для обогрева, и для охлаждения.

Уже разработаны встроенные в стены отопительные систе­мы, основанные на каталитическом сжигании водорода. Они используют его уникальное свойство сгорать без пламени. Воз­дух попадает в такую систему через каталитическую пластину, сделанную из пористой керамики с вкраплениями платины. Водород поступает с другой стороны, и беспламенное горение происходит внутри пористого материала, распространяя тепло по комнате. Подобные панели могут быть развешаны по ком­нате, встроены в стены или скрыты под различными поверхно­стями, чтобы не портить интерьер. Такие комнатные нагрева­тели могут работать при относительно низких температурах и при этом с высокой (почти 100 %-ной) эффективностью.

Еще одним способом использования водорода доя обогрева и охлаждения может стать устройство, которое применяется доя сохранения постоянной температуры в космических ска­фандрах — гпдридный тепловой насос. Гидриды — это метал­лические сплавы, взаимодействующие с водородом и впиты­вающие его. как губка воду. Эти «металлические губки» чувст­вительны к температуре, «выжимая», высвобождая, водород при ее повышении и поглощая при охлаждении. Эти их свой­ства использовались для построения систем отопления и ох-
лаждепия. разработанных в Японии и США. и в скором време­ни мы сможем увидеть их в продаже. Большое преимущество таких систем заключается в том, что в них не используется фреон, поэтому они не наносят ущерб озоновому слою.

Электричество от солнца

В предыдущих двух главах мы узнали, как солнечная энергия в своих двух формах может быть использована вме­сто ископаемых топлив для удовлетворения наших нужд, включая и производство электричества. Некоторая часть этой электроэнергии может быть использована для разложения воды на водород и кислород в устройстве, называемом элек­тролизером. Водород потом можно применять в качестве источника энергии, когда нет солнца, например ночью, или когда недоступны непрямые формы солнечной энергии.

Электричество может быть получено из водорода тремя разными путями — с использованием газовой турбины, паро­вой турбины и топливного элемента. Сегодня газовые турбины используются для получения механической и производства элек­трической энергии (когда турбина соединена с генератором). Обычно в них используется природный газ. наполняющий ат­мосферу углекислотой и другими загрязнителями, но если га­зовые турбины будут работать на водороде, они смогут произ­водить то же количество энергии чисто и более эффективно.

Большие количества механической и электрической энергии мы получаем от паровых турбин. Сейчас они применяются там, где царят уголь и мазут, загрязняющие планету и способствую­щие развитию парникового эффекта, или на атомных электростан­циях, у которых тоже немало проблем (см. главу 8). Однако пар может быть получен гораздо более чистым путем сжигания водо­рода в чистом кислороде. При этом он нагревается до 3000 °С, что в 10, а то и в 20 раз выше, чем самая большая темпера­тура в обычной духовке. Голубое пламя, вырывающееся из дюз при старте космического корабля, состоит как раз из такого высокотемпературного водяного пара, полученного при сгора­нии водорода в кислороде. Конечно, ни один конструктивный материал не может без дополнительного охлаждения долго выдерживать такую жару, так что ракетные двигатели возле сошла приходится охлаждать жидким водородом с температу-

рой -253 °С. На электростанциях, чтобы снизить температуру до допустимого уровня, к горячему пару добавляют воду.

Есть также и третий способ получения электричества из водорода, который основан на его уникальных особенностях. В топливных элементах водород соединяется с кислородом и производит электричество; при этом конечным продуктом является вода — источник водорода, так что процесс получа­ется возобновляемым и экологически чистым.

Электроэнергия из топливных элементов может быть ис­пользована для домашних и промышленных нужд, хотя, конеч­но. ее нужно трансформировать, прежде чем использовать в энергетических системах. Топливные элементы могут быть самого разного размера: маленькие, размером вдвое меньшим домашнего кондиционера, вполне могут обеспечить все по­требности квартиры или дома в электричестве, большие —

снабжать энергией заводы, магазины и т. д. В зависимости от типа топливного элемента его эффективность может меняться от 40 до 85 %. Кроме электричества эти элементы производят еще и тепло, которое может нагревать воду, отапливать поме­щения и использоваться для сушки.

В Японии с 1984 г. успешно работает электростанция на топливных элементах мощностью 4,5 МВт, которой достаточ­но для города с населением в 10 тыс. чел., а в США несколько установок мощностью 40 кВт испытаны в качестве источников электричества для домов и показали эффективность 70 %. Если продолжить работы, то в будущем вполне можно повы­сить коэффициент полезного действия этих устройств.

Еще одним преимуществом топливных элементов являет­ся ‘го, что отпадает необходимость строительства множества трансформаторных станций, поскольку каждый дом, здание или предприятие будут производить свою собственную элек­троэнергию. Это избавит ландшафт от многочисленных опор линий электропередач, уродующих его.

Наилучшим топливом для топливных элементов является водород. Получая его из ископаемых топлив или спиртов наподобие метилового, мы будем загрязнять атмосферу, что приведет к парниковому эффекту, кислотным дождям и смо­гу. Но получая водород из воды, мы не наносим ущерба природе. И настанет день, когда каждый дом, фабрика, мага­зин, офис будут оснащены собственным топливным элемен­том. При этом мы должны быть уверены, что топливо для него получено самым безопасным путем — из воды.

Если мы начнем производство «солнечного» водорода и «солнечного» электричества (в прямом или непрямом процес­се), то в конце концов сможем удовлетворить все потребно­сти промышленности без загрязнения окружающей среды.

топливо ДЛЯ ИРОМ ЫIII ЛЕН пости

В водородной энергетической системе из воды, одновре­менно с водородом, также производится и кислород. Он мо-

жег быть помещен в хранилища и (или) доставлен но трубо­проводам к тем производствам, которые в нем нуждаются, или просто выброшен в атмосферу. При сжигании водород будет соединяться с кислородом или из хранилищ, или прямо из воздуха. Таким образом, если весь водород будет перера­батываться и в результате работы водородной энергетиче­ской системы не будет происходить увеличения или уменьше­ния его содержания в окружающей среде, то и кислород тоже будет полностью Перерабатываться, и его количество тоже останется постоянным.

Для транспорта, наземного или воздушного, необходимый кислород будет получен из атмосферы, и, следовательно, соот­ветствующее его количество — полученное вместе с водоро­дом при разложении воды — должно быть выпущено в воздух. В других же случаях, например, в ракетах и космических кораблях, кислород и водород в жидком виде будут находиться на борту в специальных баках, поскольку в космосе пет кисло­рода. На мощные электростанции на топливных элементах чистый кислород может доставляться по трубопроводам. В сравнении с получением кислорода из воздуха, это позволит увеличить эффективность работы топливного элемента.

Конечно, под лучами солнца, особенно ультрафиолетовы­ми, молекулы кислорода могут распадаться па атомы, а затем рекомбинировать с другими молекулами, образуя озон. По в природе этот процесс п так происходит постоянно, поскольку воздух содержит 21 % кислорода, и к тому лес он весьма неинтенсивен. Развитие водородных энергетических систем не приведет к заметному изменению содержания кислорода в атмосфере. Его средняя величина, несмотря на небольшие колебания в сторону увеличения или уменьшения, останется неизменной.